环境光的光谱组成对屈光发育的影响研究进展△

唐秀平 范浩博 邹云春

近视作为屈光发育异常中最常见的的一种屈光状态，在全球范围内越来越普遍，患病率的不断上升给个人和社会造成了一定的经济负担。最近的数据分析结果显示，虽然近视并发症和视力损害的风险随近视程度的增加而增加，但低、中度近视者患病的风险也明显高于非近视者[1]。长期研究和随机对照试验均证实，多在户外可以降低儿童和青少年近视发病的风险[2-3]，但是具体的影响因素还未证实。目前主流的观点认为户外日光的高光照强度和高短波长光含量是防控近视的可能因素。但是户外光照的高短波长光含量同时也增加了患白内障和黄斑变性等疾病的风险。因此，了解光照中不同光谱组成对屈光发育的影响和作用机制有助于我们更加清晰户外活动延缓近视的原因，同时也指导我们在探索防控近视的人工光照的时候降低潜在的有害风险。本文即针对环境光的光谱差异对屈光发育的影响及相应的眼部改变作一综述，为后续的研究提供参考。

1 光谱差异与屈光发育的关系

眼为机体重要的感觉器官之一，大多数人在出生时因眼轴过短表现为远视，在出生后集中向正视方向发展，即正视化[4]。近视则可能是正视化时期异常的视觉经验导致的眼球正视化调控的失败[5]。既往研究证实，眼可以利用视觉形成过程中产生的离焦信号引导轴向生长，消除因离焦而导致的视物模糊[6]，最终稳定在相对清晰的位置[7]。光作为刺激眼部产生视觉的重要因素之一，因纵向色差的存在，一束混合光线在经过眼的屈光系统后并不在视网膜上形成一个焦点，而是形成短波长光聚焦靠前的光斑，继而在视网膜上产生不同离焦信号和色差信号。不同光谱组成的光，可因其不同波长光含量的差异而在视网膜上形成不对等的信号差异。随着研究的深入，已经证实眼能够识别并利用这种因光谱差异而导致的信号差异，并以此指导生长，影响正视化的调控[8-9]。

2 不同光谱组成光照下的屈光发育变化

眼球正视化的主要目的是为了消除各种视觉模糊。黑暗中饲养的动物可因其视觉的缺失而不能正视化[10]。单色光环境也因其光谱的单一而影响视觉[11]。Rucker等[8]将小鸡暴露在不同波长对比度的光环境中发现，小鸡的眼睛在高蓝光对比度下变得更远视，高红光对比度下变得更近视，提示不同光谱组成的光对眼的屈光发育存在影响，含短波长光更多的照明对延缓眼的生长有积极的作用，其后续的研究也证实，富含蓝光的光照可以延缓近视的进展[12-13]。Lin等[14]进一步证实，短波长蓝光下饲养的鸡眼轴长度和玻璃体深度都较白光和红光更短。此外，Jiang等[15]通过配戴眼镜改变豚鼠的离焦信号后，蓝光下饲养的豚鼠眼轴长度依然小于红光和白光下饲养的豚鼠。相似的结果在Timucin等[16]、Tian[17]等以及其他光照实验中[18-21]均得到验证，即：长波长光含量高的环境下饲养的动物往往更易发生近视，短波长光含量高的环境下饲养的动物近视化减慢或更易发生远视。这些研究结果与离焦信号引导眼球生长的理念相符。短波长光(蓝光、紫光)因折射率大而比长波长光(红光)折射更强烈，通过眼的屈光系统后比长波长光聚焦靠前而在视网膜上形成近视性离焦信号，有控制眼轴延长的作用。鉴于此，有学者提出增加环境光中短波长光的含量使视网膜的焦平面前移，可以减缓眼轴的延长。也正是因为多物种的实验都得出相同的结论，学者们才将日光照射延缓眼球生长的因素之一归结于户外日光的高短波长光含量，使得大部分公众和学者都认可短波长光在防控近视中的积极作用。

但是随着探索的不断深入，Ward等[22]和Gawne等[23]基于树鼩的实验发现，暴露在窄带长波长(红光)下幼年树鼩眼球的轴向生长会减慢，最终变得更远视。相同的结果在青少年和成年树鼩中均得到验证[24]。而暴露在窄波段蓝光的青年树鼩则多继发严重的屈光不正，不能很好地维持正视[25]。Smith等[26]以幼猴为研究对象，从日龄(25±2)d开始给予不同的滤光片配戴至日龄(146±7)d，最终发现配戴红色滤光片组的幼猴远视屈光度都明显高于配戴普通滤光片组和对照组；Hung等[27]进一步研究发现，即使给予近视性刺激信号(远视离焦或者形觉剥夺)，饲养在红光照射下的幼猴远视屈光度依然高于正常光照组。除了树鼩和猴，Yang等[28]在小鼠身上的实验也发现红光饲养的小鼠相比白光饲养的小鼠变得更远视。这些研究结果强烈地冲击了短波长光有益的观点，认为长波长光对延缓眼的轴向生长亦有益，环境光中应该增加长波长光的含量。遗憾的是这些研究都是基于单色光条件下实施的，还不能为我们正确理解长波长光对屈光发育的影响提供有力的证据，尚需要更多的广谱光照下高红光对比度的实验来加以证实。

除了可感知的视觉刺激对眼球的影响，Long等[29]将豚鼠饲养在超出其光谱敏感度的760 nm的环境中发现，相比正常混合光照，豚鼠发生了+3.52 D屈光度补偿。Torii等[30-31]分析了超出人眼识别能力的紫外线对屈光发育的影响，发现配戴紫外线透射镜片的儿童在1年后眼球的生长比配戴紫外线阻挡镜片的儿童小。除此之外，更有学者发现小鸡在无蓝光的光照(黄光)下，低频时出现近视移位(>-0.60 D)，高频时则出现远视移位(>1.00 D)[13]。这些研究进一步丰富了环境光的不同光谱组成对眼屈光发育的影响，同时也提醒我们盲目地减少、增加或者阻断某种光的作用都将是不可取的。

3 不同光谱组成影响屈光发育的作用部位

3.1 眼的调节反应通常，人眼在550～570 nm波长处聚焦，但如果眼睛暴露在不同波长的单色光下呢？Krger和Binder[32]发现，在单色光下，眼的调节与纵向色差函数密切相关。眼睛可以改变调节的量使不同波长光的焦平面尽量靠近视网膜。Seidemann等[33]分析了5名受试者在33 cm处的调节反应，发现长波长光下调节更多，短波长光下调节减少，很好地拟合了Bedford和Wyszecki[34]绘制的人眼的色差函数线。不过在非常短的蓝光(430 μm)下则出现例外，发生比预期更多的调节，Graef等[35]描述其可能与430 nm以下波长的光优先刺激短波长敏感视锥细胞(S-cone)相关。但是整体而言，相对于655 nm波长处的调节，所有受试者在波长小于590 nm处的调节性补偿都明显减少。Kruger等[36]通过调节白色照明中红色、绿色和蓝色光的对比度以模拟不同的光环境，发现人眼在不同环境下的调节变化，因此他们认为视网膜图像中光谱波段的对比度确定了光的焦平面，并介导了调节和屈光度的改变。同样，Krucger等[37]也发现人的调节会随着纵向色差的变化而变化；Rucker等[38]发现蓝色照明下的眼部调节相比白色照明减少50%。Seidemann等[33]在小鸡身上进行的实验也得出同样的结论，当光环境在红色和蓝色变化时，小鸡的调节张力也发生变化：红/蓝=(1.26±0.54)D。

Walker等[39]和Drexler等[40]曾报道，调节会导致眼的轴向长度增加，放松调节之后眼睛形状又会向扁圆形转变。但是Reiner等[41]在雏鸡身上的研究也表明，长时间的持续调节(>2周)会出现少量的近视屈光不正。因此，有学者认为在长波长光下，眼睛为了使焦平面靠近视网膜而产生的持续的调节可能是引起其生长的信号，毕竟调节除了导致眼的轴向长度增加外还常常出现黄斑中心凹脉络膜厚度变薄的现象[42-43]，促进了眼向近视方向的发展。

3.2 脉络膜厚度的变化Wallman等[44]在其从事的关于脉络膜与屈光发育相关的研究中报道，脉络膜可以通过多途径改变自身的厚度来调节视网膜的位置，使视网膜尽量靠近焦平面，减少离焦引起的模糊效应。并且脉络膜还可以通过改变血流量或者分泌细胞因子等影响视网膜和巩膜的变化[41,45]。Chiang等[46]以人为研究对象，发现脉络膜可在配戴负透镜(远视离焦)时变薄以使视网膜向后移动，当配戴正透镜(近视离焦)时则变厚以使视网膜前移。Rucker等[9]发现，小鸡的脉络膜厚度变化除了与离焦的性质相关外，还与饲养的光环境相关。远视离焦状态下，饲养在红光中的小鸡脉络膜厚度比饲养在白光下的小鸡更薄，而饲养在蓝光中的小鸡脉络膜厚度则没有发生改变。但是在近视离焦的状态下，红光反而使脉络膜厚度增加，且其增加的量大于白光下的改变量，蓝光下的小鸡则依然没有改变。与之相似的发现在不同对比度的广谱光照中同样被证实[12]，均提示脉络膜厚度的改变与离焦性质和环境光的波长对比度息息相关。高红光对比度照明，在远视离焦状态下可因进一步增加远视离焦的量使脉络膜变得更薄，同理于近视离焦而使脉络膜变厚。高蓝光对比度的照明则几乎不引起脉络膜厚度的变化。

但是Hung等[27]提出，无论是给予+3.00 D还是-3.00 D的透镜诱导，红光下饲养的恒河猴相比白光下饲养的恒河猴而言，都有屈光发育减慢和脉络膜厚度增加的改变。Hung等[27]的研究虽然给予了不同性质的离焦镜片诱导，但是对于幼年恒河猴来说，整体的离焦性质并没有发生改变，依然呈远视离焦的状态。在这种情况下，如果按上述的观点，红光的焦平面应该是增加了远视离焦的量，但却引起了脉络膜厚度的近视性离焦反应，与既往的研究不符。因此，后续还需更多控制整体离焦的光谱光照实验来证实环境光的波长对比度影响眼球发育时的脉络膜厚度变化。

3.3 视锥细胞反应Patterson等[47]在视锥蛋白突变患者的残余锥体结构的研究中发现，人眼的轴向长度与黄斑中心凹视网膜上能有效传导光刺激的视锥细胞比例呈显著负相关，更多视锥细胞参与光信号转导能更好地抑制眼的轴向生长。但是人类或灵长类动物视网膜上含有三种分别对红光、绿光、蓝光敏感的视锥细胞，即长波长敏感视锥细胞(L-cone)、中波长敏感视锥细胞(M-cone)和S-cone。因此，不同视锥细胞的敏感性以及光对视锥细胞的刺激都将是环境光影响眼球生长的可能因素。

Qian等[48]和Ostadimoghaddam等[49]通过调查分析学生的色觉和近视的关系发现，色觉正常的学生近视发病率相比红绿色盲患者高，提示对长波长光的敏感度降低(L-cone敏感度降低)可延缓眼睛生长。他们认为，L-cone敏感性高是发生近视或近视增长的一个危险信号，相反，S-cone敏感性更高的个体则不易近视。Taylor等[50]的分析也持同样的观点，认为S-cone的低敏感性是患儿不能正常正视化的原因之一。但是Ward等[22]认为，在正常屈光状态下,短波长光和长波长光分别成像在视网膜的前后，不引起视锥细胞敏感性的改变，如果出现L-cone的敏感性升高，则说明出现了视网膜后移的现象，提示眼睛生长过度了，此时眼睛将停止生长。这与他们观察到的红光延缓眼的生长相符。不过随后他们也发现，尽管视网膜上S-cone的数量很少，但S-cone的分布也能合理地显示波长相关的离焦差异，对屈光发育也有一定的指导作用[51]。

Rucker等[52]基于小鸡的实验发现，在频闪光照(低频率)刺激下，刺激 M-cone或者 S-cone的高蓝光对比度的光相比只刺激L-cone的不含蓝光的光可引起小鸡眼的轴向生长减慢；在稳定光照(高频率)刺激下，只刺激L-cone的不含蓝光的光反而表现出更好的延缓轴向生长的作用。但是相对于一般室内照明，Yoon等[53]发现，平衡刺激S-cone、M-cone和L-cone的照明相比普通室内照明(更多刺激L-cone)产生的近视更少。这意味着更多的短波长光对S-cone的平衡刺激延缓了眼的轴向生长[54-55]，使得问题又回到了初始提出的户外日光中强短波长光对S-cone的刺激能延缓眼轴生长。但是目前的研究还不能为这一过程提供有力的证据。后续还需要更多环境光照明和视锥细胞相关的研究来证实其影响正视化的相关作用机制。

4 总结与展望

整体而言，虽然眼的屈光发育受光谱差异的影响，但是目前针对环境光的光谱差异对眼球屈光发育的影响研究仍处于初级阶段。即使当下普遍的观点认为户外日光的高短波长光含量对延缓眼轴增长有积极的作用，同时高短波长光含量也可以从近视性离焦、调节等多方面来解释其在延缓眼球生长和防控近视方面的作用，但是长波长光对眼球屈光发育的影响同样值得我们深思。后续需要更多广谱的高长波长光含量的实验来证实其对眼球屈光发育的影响。在现在这种近视高发与低龄化状态越来越严重的情况下，人们都迫切希望能找到一种有效防控近视的方法，然而盲目增加或减少某种光的作用都将是不可取的。积极地探索不同光谱组成光对眼屈光发育的影响，将有助于我们设计有针对性的近视干预措施来防控近视的发展。